(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む処理ガスをプラズマ励起させて発生した水素ラジカルを被処理基板に作用させてプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
前記処理ガスを励起させてプラズマを生成するプラズマ生成室と、
前記プラズマ生成室に連通するプラズマ処理室と、
前記プラズマ処理室内に配置され、前記被処理基板を載置する載置台と、
前記プラズマ生成室の天井部に設けられた板状の誘電体窓の外側に配設された平面状の高周波アンテナと、
前記プラズマ生成室に誘導結合プラズマを生成するための高周波電力を、前記高周波アンテナに印加する高周波電源と、
前記プラズマ生成室と前記プラズマ処理室とを隔てる隔壁部材と、
を備え、
前記高周波アンテナは、両端を開放するとともに中間部を接地し、前記高周波電源からの高周波電力の１／２波長で共振するように構成したアンテナ素子を具備し、
前記隔壁部材は、前記水素ラジカルを通すための複数の開口を有し紫外線が通過しない絶縁材料からなる複数の板状部材を夫々間隔を設けて重ね、かつ、前記板状部材の前記開口は夫々他の前記板状部材の前記開口と重ならないようにずらして配置して構成されており、
前記アンテナ素子の中心と前記誘電体窓の前記プラズマ生成室側の面との間の距離が、５５ｍｍ〜９０ｍｍとされている
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ処理装置であって、
前記誘電体窓の前記プラズマ生成室側の面と前記隔壁部材の前記プラズマ生成室側の面との間の距離が、５０ｍｍ〜１１０ｍｍとされている
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項は１又は２記載のプラズマ処理装置であって、
前記誘電体窓が、石英又はセラミックスから構成されている
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか１項記載のプラズマ処理装置であって、
前記アンテナ素子が渦巻き状に形成されている
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項１〜４いずれか１項記載のプラズマ処理装置であって、
前記開口がスリット状に形成されている
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】
水素を含む処理ガスをプラズマ励起させて発生した水素ラジカルを被処理基板に作用させてプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、
前記処理ガスを励起させてプラズマを生成するプラズマ生成室と、
前記プラズマ生成室に連通するプラズマ処理室と、
前記プラズマ処理室内に配置され、前記被処理基板を載置する載置台と、
前記プラズマ生成室の天井部に設けられた板状の誘電体窓の外側に配設された平面状の高周波アンテナと、
前記プラズマ生成室に誘導結合プラズマを生成するための高周波電力を、前記高周波アンテナに印加する高周波電源と、
前記プラズマ生成室と前記プラズマ処理室とを隔てる隔壁部材と、
を備え、
前記高周波アンテナは、両端を開放するとともに中間部を接地し、前記高周波電源からの高周波電力の１／２波長で共振するように構成したアンテナ素子を具備し、
前記隔壁部材は、前記水素ラジカルを通すための複数の開口を有し、紫外線が通過しない絶縁材料からなる複数の板状部材を夫々間隔を設けて重ね、かつ、前記板状部材の前記開口は夫々他の前記板状部材の前記開口と重ならないようにずらして配置して構成されており、
前記アンテナ素子の中心と前記誘電体窓の前記プラズマ生成室側の面との間の距離が、５５ｍｍ〜９０ｍｍとされている
プラズマ処理装置を用いて前記被処理基板にプラズマ処理を施す
ことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項７】
請求項６記載のプラズマ処理方法であって、
前記誘電体窓の前記プラズマ生成室側の面と前記隔壁部材の前記プラズマ生成室側の面との間の距離が、５０ｍｍ〜１１０ｍｍとされている
ことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項８】
請求項６又は７記載のプラズマ処理方法であって、
前記誘電体窓が、石英又はセラミックスから構成されている
ことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項９】
請求項６〜８いずれか１項記載のプラズマ処理方法であって、
前記アンテナ素子が渦巻き状に形成されている
ことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１０】
請求項６〜９いずれか１項記載のプラズマ処理方法であって、
前記開口がスリット状に形成されている
ことを特徴とするプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体装置の製造分野等においては、半導体ウエハ等の基板に、成膜処理やエッチング処理等の処理を行う装置として、プラズマを用いたプラズマ処理装置が知られている。
【０００３】
上記のプラズマ処理装置において、水素ガスのプラズマを発生させ、この水素ガスのプラズマ中の水素ラジカルを被処理基板に作用させて、レジストのアッシングや、低誘電率膜のエッチングを行う技術が知られている。このように水素ガスのプラズマを使用する場合、平行平板型などの容量結合型のプラズマ処理装置を使用すると、電極が水素プラズマにより大きなダメージを受ける。このため、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を生成する誘導結合型のプラズマ処理装置が使用されている。
【０００４】
このような誘導結合型のプラズマ処理装置として、円筒状のプラズマ発生室の側壁部にコイルスプリング状の高周波コイルを設け、このプラズマ発生室と、処理を行う半導体ウエハ等の被処理基板が配置された処理室とを、貫通孔を有する複数の遮蔽板（隔壁部材）によって仕切り、プラズマ中のラジカルのみを選択的に基板に作用させるプラズマ処理装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
上記のように、側壁部に高周波コイルを設けた円筒状のプラズマ発生室と、処理室とを遮蔽板によって仕切った構成のプラズマ処理装置では、側壁部に高周波コイルを設ける都合上、プラズマ発生室の形状が縦長となる。そして、この縦長のプラズマ発生室で発生させたプラズマ中からラジカルのみを移動させて被処理基板に作用させると、ラジカルの移動距離が長くなり、効率良くラジカルを被処理基板に作用させ、効率的に処理を行うことが難しい。
【０００６】
このため、効率的に水素ラジカルによる処理を行うという点では、処理室の天井部に誘電体窓を設け、ここに平面状の高周波アンテナを設けたプラズマ処理装置を用いることが好ましい。しかしながら、このような構成のプラズマ処理装置では、誘電体窓に平面状の高周波アンテナを近接して配置する必要がある。このため、高周波アンテナの電圧によってプラズマ中のイオンが引き付けられ誘電体窓が損傷を受けるという問題と、プラズマからの入熱により高周波アンテナの温度が上昇し、高周波アンテナを冷却するための冷却機構が必要となるという問題が生じる。
【０００７】
なお、処理室の天井部に平面状の高周波アンテナを設けたプラズマ処理装置において、高周波アンテナの両端を開放するとともに、中点又はその近傍を接地し、高周波の１／２波長で共振するようにして、加速されたイオンによる被処理基板のダメージを抑制するようにしたプラズマ処理装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１６４５３号公報
【特許文献２】特開２０１０−１５３２７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したとおり、従来においては、水素ラジカルを被処理基板に作用させてプラズマ処理する際に、効率的に水素ラジカルを被処理基板に作用させることが困難となる問題があった。また、誘電体窓が水素イオンによってダメージを受けるという問題や、プラズマからの入熱により高周波アンテナがダメージを受けるため、冷却機構が必要になる等の問題があった。
【００１０】
本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、水素ラジカルを被処理基板に効率良く作用させて効率的なプラズマ処理を行えるとともに、水素イオンによる誘電体窓のダメージを軽減することができ、かつ、高周波アンテナのための冷却機構を不要とすることのできるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のプラズマ処理装置の一態様は、水素を含む処理ガスをプラズマ励起させて発生した水素ラジカルを被処理基板に作用させてプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、前記処理ガスを励起させてプラズマを生成するプラズマ生成室と、前記プラズマ生成室に連通するプラズマ処理室と、前記プラズマ処理室内に配置され、前記被処理基板を載置する載置台と、前記プラズマ生成室の天井部に設けられた板状の誘電体窓の外側に配設された平面状の高周波アンテナと、前記プラズマ生成室に誘導結合プラズマを生成するための高周波電力を、前記高周波アンテナに印加する高周波電源と、前記プラズマ生成室と前記プラズマ処理室とを隔てる隔壁部材と、を備え、前記高周波アンテナは、両端を開放するとともに中間部を接地し、前記高周波電源からの高周波電力の１／２波長で共振するように構成したアンテナ素子を具備し、前記隔壁部材は、前記水素ラジカルを通すための複数の開口を有し紫外線が通過しない絶縁材料からなる複数の板状部材を夫々間隔を設けて重ね、かつ、前記板状部材の前記開口は夫々他の前記板状部材の前記開口と重ならないようにずらして配置して構成されており、前記アンテナ素子の中心と前記誘電体窓の前記プラズマ生成室側の面との間の距離が、５５ｍｍ〜９０ｍｍとされていることを特徴とする。
【００１２】
本発明のプラズマ処理方法の一態様は、水素を含む処理ガスをプラズマ励起させて発生した水素ラジカルを被処理基板に作用させてプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、前記処理ガスを励起させてプラズマを生成するプラズマ生成室と、前記プラズマ生成室に連通するプラズマ処理室と、前記プラズマ処理室内に配置され、前記被処理基板を載置する載置台と、前記プラズマ生成室の天井部に設けられた板状の誘電体窓の外側に配設された平面状の高周波アンテナと、前記プラズマ生成室に誘導結合プラズマを生成するための高周波電力を、前記高周波アンテナに印加する高周波電源と、前記プラズマ生成室と前記プラズマ処理室とを隔てる隔壁部材と、を備え、前記高周波アンテナは、両端を開放するとともに中間部を接地し、前記高周波電源からの高周波電力の１／２波長で共振するように構成したアンテナ素子を具備し、前記隔壁部材は、前記水素ラジカルを通すための複数の開口を有し、紫外線が通過しない絶縁材料からなる複数の板状部材を夫々間隔を設けて重ね、かつ、前記板状部材の前記開口は夫々他の前記板状部材の前記開口と重ならないようにずらして配置して構成されており、前記アンテナ素子の中心と前記誘電体窓の前記プラズマ生成室側の面との間の距離が、５５ｍｍ〜９０ｍｍとされているプラズマ処理装置を用いて前記被処理基板にプラズマ処理を施すことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、水素ラジカルを被処理基板に効率良く作用させて効率的なプラズマ処理を行えるとともに、水素イオンによる誘電体窓のダメージを軽減することができ、かつ、高周波アンテナのための冷却機構を不要とすることのできるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の断面概略構成を示す図。
【図２】図１のプラズマ処理装置の高周波アンテナの概略構成を示す図。
【図３】図２の高周波アンテナにおける電圧と電流の関係を示す図。
【図４】図１のプラズマ処理装置の要部断面構成を模式的に示す図。
【図５】図１のプラズマ処理装置の要部断面構成を模式的に示す図。
【図６】誘電体窓のスパッタ量を測定した結果を示すグラフ。
【図７】エッチングレートを測定した結果を示すグラフ。
【図８】エッチングレートを測定した結果を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置１の構成を模式的に示す図である。同図に示すように、プラズマ処理装置１は、処理チャンバー１０を具備している。処理チャンバー１０は、表面を陽極酸化処理されたアルミニウム等から略円筒状に構成されている。処理チャンバー１０の内側の底部には、半導体ウエハＷ等の被処理基板を載置するための載置台１５が配設されている。載置台１５の基板載置面には、被処理基板を吸着するための図示しない静電チャック等が設けられている。
【００１７】
処理チャンバー１０の天井部には、載置台１５と対向するように、石英又はセラミックス等の誘電体（絶縁体）材料からなる誘電体窓１３が設けられている。誘電体窓１３は、円板状に形成されており、処理チャンバー１０の天井部に形成された円形の開口を気密に閉塞するように配設されている。
【００１８】
処理チャンバー１０の内部には、載置台１５が配置された下方のプラズマ処理室２０と、上方のプラズマ生成室３０とを仕切るように、隔壁部材４０が配設されている。この隔壁部材４０の詳細な構成については、後述する。
【００１９】
プラズマエッチング装置１には、処理チャンバー１０のプラズマ生成室３０内に水素ガスを含む処理ガスを供給するためのガス供給部１２０が設けられている。処理チャンバー１０の側壁部にはガス導入口１２１が形成されており、ガス導入口１２１には、ガス供給配管１２３を介してガス供給源１２２が接続されている。ガス供給配管１２３の途中には、処理ガスの流量を制御するためのマスフローコントローラ１２４、開閉バルブ１２６が介挿されている。ガス供給源１２２からの処理ガスは、マスフローコントローラ１２４により所定の流量に制御されて、ガス導入口１２１から処理チャンバー１０のプラズマ生成室３０内に供給される。
【００２０】
図１では説明を簡単にするため、ガス供給部１２０を一系統のガスラインで表現しているが、ガス供給部１２０は単一のガス種の処理ガスを供給する場合に限られるものではなく、複数のガス種を処理ガスとして供給するものであってもよい。また、ガス供給部１２０は、処理チャンバー１０の側壁部からガスを供給する構成のものに限られず、処理チャンバー１０の天井部からガスを供給する構成であってもよい。この場合には、例えば、誘電体窓１３の例えば中央にガス導入口を形成し、そこからガスを供給するようにしてもよい。
【００２１】
処理チャンバー１０の底部には、処理チャンバー１０内を排気するための排気部１３０が排気管１３２を介して接続されている。排気部１３０は例えば真空ポンプ等によって構成され、処理チャンバー１０内を所定の圧力まで減圧し得るようになっている。処理チャンバー１０の側壁部には、ウエハ搬出入口３０が形成されており、このウエハ搬出入口３０には、ウエハ搬出入口３０を気密に閉塞し、開閉自在とされたゲートバルブ３１が設けられている。
【００２２】
処理チャンバー１０の天井部の外側には、誘電体窓１３の外側面（上側面）に対向するように平面状の高周波アンテナ１４０が配置されており、この高周波アンテナ１４０を覆うように略筒状（本実施形態では円筒状）のシールド部材１６０が設けられている。高周波アンテナ１４０は、図２に示すように、例えば銅、アルミニウム、ステンレスなどの導体で構成された渦巻きコイル状のアンテナ素子１４２を、複数の挟持体１４４で挟持して構成されている。各挟持体１４４は、棒状に形成されており、３つの挟持体１４４が、アンテナ素子１４２の中央付近からその外側に向けて放射状に延在するように配置されている。
【００２３】
アンテナ素子１４２には、高周波電源１５０が接続されている。高周波電源１５０からアンテナ素子１４２に所定の周波数（例えば２７．１２ＭＨｚ）の高周波を所定のパワーで供給することにより、処理チャンバー１０内のプラズマ生成室３０内に誘導磁界が形成される。これにより、プラズマ生成室３０内に導入された水素ガスを含む処理ガスが励起され、プラズマが生成される。このプラズマ生成室３０内に励起されたプラズマ中のイオンは、隔壁部材４０によって遮蔽されてプラズマ処理室２０内に進入することが阻止され、プラズマ中の水素ラジカルのみがプラズマ処理室２０内に移動して水素ラジカルによる半導体ウエハＷの処理が行われる。
【００２４】
高周波電源１５０から出力される高周波電力の周波数は、２７．１２ＭＨｚに限られるものではない。例えば１３．５６ＭＨｚ、６０ＭＨｚなどであってもよい。但し、高周波電源１５０から出力される高周波電力の周波数に応じてアンテナ素子１４２の電気的長さを調整する必要がある。
【００２５】
シールド部材１６０は、処理チャンバー１０の天井部に固定された略円筒状の下部シールド部材１６１と、この下部シールド部材１６１の外側にスライド自在に設けられた上部シールド部材１６２とで構成されている。上部シールド部材１６２は、上面が閉塞し下面が開口する略円筒状に形成されている。上部シールド部材１６２は、処理チャンバー１０の側壁部に設けられたアクチュエータ１６５によって上下にスライド駆動するようになっている。また、高周波アンテナ１４０も、アクチュエータ１４５によって高さ調整ができるようになっている。
【００２６】
プラズマ処理装置１は、制御部（全体制御装置）２００を具備しており、この制御部２００によってプラズマ処理装置１の各部が制御されるようになっている。また、制御部２００には、オペレータがプラズマ処理装置１を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマ処理装置１の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなる操作部２１０が接続されている。
【００２７】
さらに、制御部２００には、プラズマ処理装置１で実行される各種処理を制御部２００の制御にて実現するためのプログラムやプログラムを実行するために必要なレシピなどが記憶された記憶部２２０が接続されている。
【００２８】
記憶部２２０には、半導体ウエハＷの処理を実行するための複数のレシピの他、処理チャンバー１０内のクリーニング処理など必要な処理を行うためのレシピなどが記憶されている。なお、これらのレシピはハードディスクや半導体メモリに記憶されていてもよく、またＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ等の記憶媒体に収容された状態で記憶部２２０の所定位置にセットするようになっていてもよい。
【００２９】
制御部２００は、操作部２１０からの指示等に基づいて所望のレシピを記憶部２２０から読み出して各部を制御することで、プラズマ処理装置１での所望の処理を実行する。また、操作部２１０からの操作によりレシピを編集できるようになっている。
【００３０】
つぎに、前述した隔壁部材４０の詳細な構成について説明する。隔壁部材４０は、図４に示すように、多数のスリット状の開口４１ａ、４２ａを有する複数（本実施形態では２つ）の板状部材４１、４２を、スペーサ４３を挟むことによって、所定間隔を設けて重ねた構成とされている。また、板状部材４１の開口４１ａと、板状部材４２の開口４２ａとは位置が重ならないように配置されている。板状部材４１、４２は、紫外線（ＵＶ）特に真空紫外領域の波長の紫外線が通過しない絶縁材料、例えば、石英又はセラミックス（例えば、アルミナ）等から構成されている。なお、図４に示すように、プラズマからの紫外線がプラズマ生成室３０側（図４中上側）の板状部材４１に照射されると蛍光として紫外線が発せられるが、この紫外線は、プラズマ処理室２０側（図４中下側）の板状部材４２によって遮蔽される。
【００３１】
図４に示すように、隔壁部材４０の板状部材４１、４２は、絶縁部材から構成されており表面がマイナスに帯電し、板状部材４１、４２の近傍にはプラス電位のシースが形成される。これによって、プラズマ生成室３０で生成されたプラズマ中のイオン（例えば、水素イオン）が遮蔽される。そして、開口４１ａ、４２ａを介して電気的に中性な水素ラジカルのみを選択的に通過させ、プラズマ処理室２０内に導入することができるようになっている。イオンを遮蔽する作用を高めるためには、板状部材４１、４２の厚さ（図４に示すＴ１）を厚くすることが好ましく、また、開口４１ａ、４２ａの幅（図４に示すＷ）を小さくして開口面積を小さくすることが好ましい。しかしながら、厚さＴ１を厚くし過ぎたり、幅Ｗを小さくして開口面積を小さくし過ぎると、水素ラジカルの通過量が少なくなってしまう。
【００３２】
実際に、隔壁部材４０の効果を確認するため、表面にアモルファスシリコン膜を形成した半導体ウエハＷにプラズマ処理を行ったところ、板状部材４１、４２の厚さＴ１を２ｍｍ、開口４１ａ、４２ａの幅を４ｍｍとした場合、アモルファスシリコン膜に欠落が生じた。一方、板状部材４１、４２の厚さＴ１を５ｍｍ、開口４１ａ、４２ａの幅を２ｍｍとして同様なプラズマ処理を行ったところ、アモルファスシリコン膜に欠落は生じなかった。したがって、板状部材４１、４２の厚さＴ１は、３〜１０ｍｍ程度、開口４１ａ、４２ａの幅Ｗは、１〜３ｍｍ程度とすることが好ましい。本実施形態では、板状部材４１、４２の厚さＴ１は５ｍｍ、開口４１ａ、４２ａの幅Ｗは２ｍｍとなっている。スペーサ４３の厚み（図４に示すＴ２）、すなわち板状部材４１と板状部材４２との間隔は、３〜１０ｍｍ程度とすることが好ましく、本実施形態では５ｍｍとなっている。
【００３３】
なお、隔壁部材４０によって確実にイオンをトラップするためには、誘電体窓１３と隔壁部材４０との間のプラズマ生成室３０内の空間でプラズマを発生させる必要がある。このため、誘電体窓１３のプラズマ生成室３０側の面と隔壁部材４０（板状部材４１）のプラズマ生成室３０側の面との間の距離、つまり図４に示す距離ｄ１は、ある程度大きくする必要がある。一方、距離ｄ１を大きくし過ぎるとプラズマと半導体ウエハＷの距離が離れることによって効率的に水素ラジカルを半導体ウエハＷに作用させることが難しくなる。このため、誘電体窓１３のプラズマ生成室３０側の面と隔壁部材４０のプラズマ生成室３０側の面との間の距離ｄ１は、５０ｍｍ〜１１０ｍｍとすることが好ましい。
【００３４】
次に、高周波アンテナ１４０の具体的な構成について説明する。高周波アンテナ１４０は、図２に示すようにアンテナ素子１４２の両端、すなわち外側端部１４２ａと内側端部１４２ｂを自由端（電気的にフローティングの状態）とするとともに、巻き方向の長さの中点又はその近傍（以下、単に「中点」という。）を接地点（グラウンド）１４２ｃとし、１／２波長の定在波を形成できるように構成されている。
【００３５】
すなわち、アンテナ素子１４２は、高周波電源１５０から供給される所定の周波数（例えば２７．１２ＭＨｚ）を基準として、その基準周波数の１／２波長で共振（半波長モードで共振）するように、長さ、巻径、巻回ピッチ、巻数が設定されている。例えばアンテナ素子１４２の電気的長さは、基準周波数の１／２倍によって共振する長さ、すなわち基準周波数である２７．１２ＭＨｚにおける１波長の１／２倍の長さである。なお、アンテナ素子１４２は、パイプ状、線状、板状などいずれの形状で構成してもよい。
【００３６】
高周波電源１５０からの高周波を供給する給電ポイント１４２ｄは、接地点１４２ｃよりも内側であっても外側であってもよく、例えばインピーダンスが５０Ωとなる点であることが好ましい。給電ポイントは可変にしてもよい。この場合、モータなどにより給電ポイントを自動で変更できるようにしてもよい。
【００３７】
このようなアンテナ素子１４２によれば、高周波電源１５０から基準周波数（例えば２７．１２ＭＨｚ）の高周波を高周波アンテナ１４０に印加して半波長モードで共振させると、ある瞬間では図３に示すようにアンテナ素子１４２に印加される電圧Ｖは、中点（接地点）がゼロで、一方の端部が正のピークとなり、他方の端部が負のピークとなるような波形になる。これに対して、アンテナ素子１４２に印加される電流Ｉは、電圧波形と９０度位相がずれるため、中点（接地点）が最大で、両端部がゼロとなるような波形になる。
【００３８】
このとき、高周波の正負のサイクル毎に互いに瞬時容量が逆方向に増減するので、アンテナ素子１４２に印加される電圧Ｖと電流Ｉの波形はそれぞれ図３に示すようになる。すなわち、電圧Ｖについてはアンテナ素子１４２上に発生する正負の電圧成分によって相殺されて平均電圧が非常に小さくなるような半波長モードの定在波が形成される。これに対して、電流Ｉについてはアンテナ素子１４２上で中点（接地点）が最も強く、正のみ又は負のみの電流成分による定在波が形成される。
【００３９】
このような定在波によってアンテナ素子１４２の中央近傍に最大強度を有する垂直磁場Ｂが発生する。これによりプラズマ生成室３０内に、垂直磁場Ｂを中心とする円形電場が励起され、ドーナツ状のプラズマが生成される。この際、アンテナ素子１４２に印加される平均電圧は非常に小さいので、容量結合度が極めて弱いため、電位の低いプラズマを生成することができる。
【００４０】
ここで、仮にアンテナ素子１４２の外側端部１４２ａと内側端部１４２ｂの両方を接地して、外側端部１４２ａと接地間に高周波電源１５０を接続した場合には、図３に示した電圧Ｖと電流Ｉの波形が逆になる。すなわち、高周波電源１５０から基準周波数（例えば２７．１２ＭＨｚ）の高周波を高周波アンテナ１４０に印加して半波長モードで共振させると、ある瞬間ではアンテナ素子１４２に印加される電圧Ｖは、中点（接地点）が最大で、両端部がゼロとなるような波形になる。これに対して、アンテナ素子１４２に印加される電流Ｉは、電圧波形と９０度位相がずれるため、中点（接地点）がゼロで、一方の端部が正のピークとなり、他方の端部が負のピークとなるような波形になる。
【００４１】
このように、アンテナ素子１４２の両端を接地して半波長モードで共振させると、接地点を境としてアンテナ素子１４２の内側部とアンテナ素子１４２の外側部では常に相反する方向の磁場が形成される。その相反する磁場によってほぼ同一平面内の近傍に円形電場が二つ形成される。しかもこの二つの円形電場の回転方向が常に相反しているため、互いに干渉し合い、生成されたプラズマが不安定になるおそれがある。
【００４２】
これに対して、アンテナ素子１４２の中点を接地点とすると、上述したように励起される円形電場は一つであって常に一方向であり、干渉し合う反対方向の電場もない。このため、アンテナ素子１４２の中点を接地点とする場合には、アンテナ素子１４２の端部を接地点とする場合に比べて安定したプラズマを形成することができる。
【００４３】
また、アンテナ素子１４２の両端を接地した場合は、共振状態でのアンテナ素子１４２上に電圧成分が残るので、プラズマ中に容量結合成分が多く発生する。この点、アンテナ素子１４２の中点を接地点とした場合には、上述したように共振状態でのアンテナ素子１４２上の電圧成分が非常に小さいので、プラズマ中に容量結合成分が発生し難い。従って、ダメージの少ないプラズマ処理を行うには、アンテナ素子１４２の中点を接地点とする場合の方が有利である。
【００４４】
ところで、本実施形態においてアンテナ素子１４２を１／２波長モードで共振させるためには、上述したようにアンテナ素子１４２の電気的長さを正確に基準周波数（ここでは２７．１２ＭＨｚ）の１／２倍の長さに合わせる必要がある。しかしながら、アンテナ素子１４２の物理的長さを正確に製作するのは容易ではない。また、アンテナ素子１４２の共振周波数はアンテナ素子１４２の固有のリアクタンスだけでなく、アンテナ素子１４２とシールド部材１６０との間の浮遊容量（ストレキャパシタンス）も影響する。このため、たとえアンテナ素子１４２の物理的長さを正確に製作できたとしても、取付け誤差などによりアンテナ素子１４２とシールド部材１６０の距離に誤差が生じて設計通りの共振周波数が得られない場合もある。
【００４５】
このため本実施形態では、シールド部材１６０の高さを調整可能とし、これによってアンテナ素子１４２とシールド部材１６０との間の距離を調整して浮遊容量を変化させることで、アンテナ素子１４２の共振周波数を調整できるようになっている。具体的にはアクチュエータ１６５を駆動させて上部シールド部材１６２を高くすることで、シールド部材１６０と高周波アンテナ１４０との距離が長くなる。これにより、浮遊容量Ｃが小さくなるので、アンテナ素子１４２の電気長が長くなるように共振周波数を調整できる。
【００４６】
逆に、上部シールド部材１６２を低くすれば、シールド部材１６０と高周波アンテナ１４０との距離が短くなる。これにより、浮遊容量Ｃが大きくなるので、アンテナ素子１４２の電気長が短くなるように共振周波数を調整できる。このように、本実施形態によればシールド部材１６０の高さを調整することにより、アンテナ素子１４２とシールド部材１６０との間の浮遊容量Ｃを変えることができるので、アンテナ素子１４２の物理的長さを変えることなく、アンテナ素子１４２の共振周波数を調整できる。
【００４７】
さらに、本実施形態では、高周波アンテナ１４０の高さも調整可能とし、これによってプラズマとアンテナ素子１４２との距離を調整することでプラズマポテンシャルを調整できるようになっている。
【００４８】
上述した高周波アンテナ１４０とシールド部材１６０の高さ調整はそれぞれ、制御部２００によってアクチュエータ１４５、１６５を制御することによって行われる。この場合、高周波アンテナ１４０とシールド部材１６０の高さ調整は、操作部２１０によるオペレータの操作によって行うようにしてもよく、また制御部２００の自動制御によって行うようにしてもよい。
【００４９】
シールド部材１６０の高さ調整を自動的に行う場合には、例えば高周波電源１５０の出力側に高周波パワーメータ（例えば反射波パワーメータ）を設け、高周波パワーメータによって検出される高周波電力に応じて（例えば反射波電力が最小となるように）、アクチュエータ１６５を制御してシールド部材１６０の高さを調整し、アンテナ素子１４２の共振周波数を自動的に調整するように構成することができる。
【００５０】
また、本実施形態では、図５に示す、高周波アンテナ１４０のアンテナ素子１４２の中心と誘電体窓１３の真空側（プラズマ生成室３０側）の面との距離Ｄが、５５ｍｍ以上９０ｍｍ以下とされている。これによって、加速された水素イオン等によって誘電体窓１３がスパッタされ、損傷を受けることを抑制することができる。すなわち、アンテナ素子１４２の中心と誘電体窓１３の真空側の面との距離Ｄを５５ｍｍ未満とすると、アンテナ素子１４２と誘電体窓１３の真空側の面とが近付くことによって、アンテナ素子１４２による電界によって加速された水素イオン等が誘電体窓１３の真空側の面をスパッタし、スパッタ量が多くなることによって誘電体窓１３が損傷を多く受ける。一方、距離Ｄを５５ｍｍ以上とすることによって誘電体窓１３の損傷を大幅に軽減することができる。
【００５１】
図６の棒グラフは、プラズマ処理装置１において、誘電体窓１３の真空側の面に、ＡＬＤ−ＳｉＯ２膜を形成した半導体ウエハを貼り付けて、処理チャンバー１０内に水素ガスのプラズマを発生させた際のＡＬＤ−ＳｉＯ２膜の１０分間あたりのスパッタ量を測定した結果を示すものである。なお、測定時の条件は、圧力５．３２ＰＡ（４０ｍＴｏｒｒ）、高周波電力３０００Ｗ、水素ガス流量５００ｓｃｃｍ、時間６００秒であり、誘電体窓１３の厚みは３０ｍｍである。また、スパッタ量の測定は中心部（図６中白抜きの棒で示す。）と、周縁部（図６中ハッチング入りの棒で示す。）において実施した。
【００５２】
図６に示すように、アンテナ素子１４２の中心と誘電体窓１３の真空側の面との距離Ｄを５０ｍｍとした場合、スパッタ量は中心部で３０ｎｍ以上、周縁部で４０ｎｍ以上であった。これに対して、距離Ｄを５７．５ｍｍとした場合、スパッタ量は中心部で１０ｎｍ以下、周縁部で２０ｎｍ以下であり、距離Ｄが５０ｍｍの場合の半分以下であった。また、このような傾向は、距離Ｄを６５ｍｍとした場合も同様であり、距離Ｄを５７．５ｍｍとした場合と略同様な結果となった。このため、アンテナ素子１４２の中心と誘電体窓１３の真空側の面との距離Ｄを５５ｍｍ以上とすることが好ましい。なお、プラズマと誘電体窓１３には電位差があるため距離Ｄを大きくしてもスパッタ量をゼロとすることはできない。
【００５３】
また、距離Ｄを、９０ｍｍを超えて大きくし、アンテナ素子１４２を誘電体窓１３から離間させると、処理チャンバー１０内にプラズマが発生し難くなる。このため、アンテナ素子１４２の中心と誘電体窓１３の真空側の面との距離Ｄは、９０ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００５４】
以上の理由から、アンテナ素子１４２の中心と誘電体窓１３の真空側の面との距離Ｄは、５５ｍ以上９０ｍｍ以下とすることが好ましい。なお、本実施形態のプラズマ処理装置１では、上記のように、誘電体窓１３とアンテナ素子１４２とが離間されて配置されているため、プラズマからの入熱がアンテナ素子１４２に伝わり難いので、アンテナ素子１４２を冷却するための冷却機構を設ける必要がない。
【００５５】
図７のグラフは、縦軸をエッチングレート（Ｅ／Ｒ）（ｎｍ／ｍｉｎ）、横軸を半導体ウエハの中心からの距離（ウエハ位置）（ｍｍ）として、５分間ベークを行ったｇ線フォトレジストのエッチングレートを測定した結果を示しており、図７（ａ）は、上述した距離Ｄが７０ｍｍの場合、図７（ｂ）は、上述した距離Ｄが４５ｍｍの場合を示している。なお、測定時のエッチング処理条件は、圧力２００Ｐａ（１．５Ｔｏｒｒ）、高周波電力３０００Ｗ、処理ガスＨ２／Ｈｅ＝１００／２４００ｓｃｃｍ、載置台温度３００℃、エッチング時間１８０秒である。図７（ａ）、図７（ｂ）に示されるように、上述した距離Ｄが７０ｍｍの場合も、距離Ｄが４５ｍｍの場合もエッチングレート及びエッチングレートの分布が略同一であった。したがって、例えば、距離Ｄを７０ｍｍとしてアンテナ素子１４２を誘電体窓１３から離間させ、誘電体窓１３の損傷を抑制した状態としても、高効率でプラズマ中の水素ラジカルを半導体ウエハＷに作用させることができ、高効率でプラズマ処理を実施することができる。
【００５６】
図８のグラフは、縦軸をエッチングレート（Ｅ／Ｒ）（ｎｍ／ｍｉｎ）、横軸を半導体ウエハの中心からの距離（ウエハ位置）（ｍｍ）として、５分間ベークを行ったｇ線フォトレジストのエッチングレートを測定した結果を示している。図８（ａ）は、背景技術の欄で説明した側壁部にコイルスプリング状の高周波コイルを設けた円筒状のプラズマ発生室と、処理室とを図１に示した隔壁部材４０と同様な構造の隔壁部材によって仕切った構成のプラズマ処理装置を使用した場合を示している。この場合、高周波電力を４０００Ｗ、隔壁部材の２つの板状部材の板厚２ｍｍ、開口（スリット）の幅４ｍｍとしている。また、図８（ｂ）は、本実施形態のプラズマ処理装（板状部材４１、４２の板厚５ｍｍ、開口４１ａ、４２ａの幅２ｍｍ）を使用し、高周波電力を３０００Ｗとした場合を示している。
【００５７】
図８（ａ）、図８（ｂ）のグラフに示されるように、本実施形態のプラズマ処理装置１では、従来のプラズマ処理装置に比べて隔壁部材４０の条件が厳しく（板状部材４１、４２の板厚が厚く、開口４１ａ、４２ａの幅が狭い。）なっており、かつ、高周波電力が少ない条件でありながら、より高いエッチングレートが得られている。このように、本実施形態のプラズマ処理装置１では、イオンの作用を抑制しつつ水素ラジカルを効率良く半導体ウエハＷに作用させて、効率良くプラズマ処理を行うことができる。
【００５８】
上記構成のプラズマ処理装置１によって、半導体ウエハＷのプラズマ処理を行う場合、ゲートバルブ３１を開き、ウエハ搬出入口３０から処理チャンバー１０のプラズマ処理室２０内に半導体ウエハＷを搬入し、載置台１５に載置して静電チャックにより吸着する。
【００５９】
次いで、ゲートバルブ３１を閉じ、排気部１３０の図示しない真空ポンプ等によって、処理チャンバー１０内を所定の真空度となるまで真空引する。
【００６０】
その後、ガス供給部１２０によって、所定流量の水素ガスを含む処理ガスを、処理チャンバー１０のプラズマ生成室３０内に供給する。そして、処理チャンバー１０内の圧力が、所定の圧力に維持された後、高周波電源１５０から、高周波アンテナ１４０に所定の周波数の高周波電力が印加される。これにより、プラズマ生成室３０内には、水素ガスを含む処理ガスのＩＣＰプラズマが発生する。
【００６１】
このＩＣＰプラズマ中のイオンは、電気的なチャージを有するため、隔壁部材４０によって遮蔽され、プラズマ処理室２０内にはほとんど到達できない。一方、水素ラジカルは、電気的に中性であるため、隔壁部材４０の開口４１ａ、開口４２ａを通ってプラズマ処理室２０内にまで到達する。そして、この水素ラジカルが、載置台１５上に載置された半導体ウエハＷに作用することによって、半導体ウエハＷのプラズマ処理、例えば、エッチング処理やアッシング処理等が行われる。
【００６２】
この時、プラズマ処理装置１では、平面状の高周波アンテナ１４０を使用してＩＣＰプラズマが発生させており、比較的半導体ウエハＷに近い領域にプラズマが存在する。このため、プラズマから半導体ウエハＷに至るまでの水素ラジカルの移動量が少なくて済み、寿命の短い水素ラジカルを効率的に半導体ウエハＷに作用させることができる。
【００６３】
また、隔壁部材４０が、間隔を設けて配設された複数の板状部材４１、板状部材４２によって構成されているので、水素イオン等のイオンが、プラズマ処理室２０内に漏れ出て、半導体ウエハＷ上に形成された低誘電率膜等にダメージを与えることを効果的に抑制することができる。
【００６４】
さらに、隔壁部材４０の複数の板状部材４１、板状部材４２によって、プラズマ中から紫外線（特に真空紫外領域の波長を有する紫外光）が半導体ウエハＷに照射され、例えば半導体ウエハＷ上に形成された低誘電率膜等にダメージを与えることを効果的に抑制することができる。
【００６５】
また、前述したとおり、高周波アンテナ１４０に発生する電圧成分が少ないので、プラズマ中の水素イオン等が電界によって加速されることを抑制することができ、加速された水素イオン等によって誘電体窓１３がスパッタされ、損傷を受けることを抑制することができる。さらに、本実施形態では、高周波アンテナ１４０のアンテナ素子１４２の中心と、誘電体窓１３の真空側（プラズマ生成室３０側）の面との距離（図５に示すＤ）が５５ｍｍ以上９０ｍｍ以下とされているので、加速された水素イオン等によって誘電体窓１３がスパッタされ、損傷を受けることをより一層抑制することができる。
【００６６】
そして、所定のプラズマ処理が終了すると、高周波電力の印加及び処理ガスの供給が停止され、上記した手順とは逆の手順で、半導体ウエハＷが処理チャンバー１０内から搬出される。
【００６７】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００６８】
１……プラズマ処理装置、１０……処理チャンバー、１３……誘電体窓、１５……載置台、２０……プラズマ処理室、３０……プラズマ生成室、４０……隔壁部材、４１，４２……板状部材、４１ａ，４２ａ……開口、１４０……高周波アンテナ、１４２……アンテナ素子、１５０……高周波電源。
【図１】
0005685094.tif 000002
【図２】
0005685094.tif 000003
【図３】
0005685094.tif 000004
【図４】
0005685094.tif 000005
【図５】
0005685094.tif 000006
【図６】
0005685094.tif 000007
【図７】
0005685094.tif 000008
【図８】
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